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1、实验三 CMOS 门电路测试及 TTL 与 CMOS 接口设计一、实验目的 1. 了解 CMOS 门电路参数的物理意义。 2. 掌握 CMOS 门电路参数的测试方法。 3. 学会 CMOS 门电路外特性的测试。 4. 比较 CMOS 门与 TTL 门的特点及接口电路设计二、实验原理 CD4011 是 CMOS 二输入端四与非门。以下是它的内部电路原理图和管脚排列图。1、CMOS 门电路的主要参数 （1 ）CMOS 门电路的逻辑高、低电平值，高电平 VOH为 VDD，低电平 VOL 为 0V。 （2 ）CMOS 门电路输入端有保护电路和输入缓冲，所以多余输入端不允许悬空。（3 ）平均传输延迟时间
2、 tpd：tpd= （tOFF+tON）/2。与 TTL 相同（4 ）输出低电平负载电流 IoL:使输出保持低电平Vo=0.05V 时允许的最大灌流。（5 ）输出高电平负载电流 IoH:使输出保持高电平Vo=0.9VOH 时允许的最大拉流。、CMOS 门电路的电压传输特性： CMOS 与非门的电压传输特性是描述输出电压随输入电压的变化的曲线。 （如图）由图可知 VOH,VOL,VT之间的关系、TTL 电路与 CMOS 电路接口设计：由于 TTL 与 CMOS 电路均有门类齐全的标准集成电路。但由于 CMOS 电路具有静态功耗低、电源电压范围宽而TTL 电路具有输出带载能力强、工作速度快等优点；
3、因而在数字系统设计中，经常采用核心逻辑用 CMOS 而在输出中采用 TTL 电路，显然，在设计中，不可避免地存在 TTL 与 CMOS 电路之间的接口问题，接口电路示意图如图所示：）接口条件： 驱动门 负载门 （）（） （）（） （）（） （）（）接口电路示意图 ）接口电路设计方法： 接口电路设计应根据实际要求，选择上拉电阻、三极管驱动等方法。三、实验仪器 ）示波器台 ）多功能电路实验箱台 ）数字万用表台四、实验内容1.测量 CD4011 逻辑功能： 1）按图搭接电路；2）测量输出 Y；结果列出真值表（CMOS 多余端不允许悬空）2.平均传输延迟时间的测量1） 按图搭接电路;2） 三个与非门首
4、尾相接构成环形振荡器，用示波器观测输出震荡波形，测出周期 T，计算出平均传输延迟时间 tpd=T/6.3.示波器电压传输特性曲线：示波器测量方法：输入正弦信号 Vi（f=200Hz,Vip-p=5V,VIL=0V）, 示波器置 X-Y 扫描。同时 X(CH1)、Y(CH2)置DC 耦合，观测并定量画出与非门电压传输特性曲线，用示波器比较法测量 VOH，VOL。 4.观测 CMOS 门电路（CD4011）带 TTL 门电路（74LS00）负载（电源电压均为 5V 时）情况）当 CMOS 门带一个门时；CMOS 门输入端分别为高电平（5V）或低电平（0V）时，测量 CMOS与非门输出端电平。 （）
5、当 CMOS 门带四个门时；CMOS 门输入端分别为高电平（5V）或低电平（0V）时，测量 CMOS 与非门输出端电平。5.观察 TTL 门电路（74LS00 ）带 CMOS 门电路(CD4011)负载（当电源电压分别为 5v,12v）的情况：测量电路如图，A 端加入 TTL 信号(f=10kHZ),用示波器观察记录 A,B,D 各点的波形，试说明此电路有何问题？试在 B,C 间利用三极管设计一接口电路，使输出 D 的波形与输入 A 反相。 （三极管 9011 参数： =100、VBES=0.7V,V CES=0.2V,ICM=30mA）.6.若要使 D 与 A 同相，最简电路设计。五、实验数
6、据1.测量 CD4011 逻辑功能，测出 Y，并列出真值表2. 平均传输延迟时间的测量表一 CMOS 参数参数 VOH(v) VOL(v) Tpd(ns)测量值 5.070 0.007 19.2其中：T=115.0ns; tpd=T/6=19.2ns真值表： 示波器电压传输特性曲线：表三 电压传输特性曲线参数参数 VOH（v） VOL(V) VT(V)测量值 5.020 0.0625 2.5024.观测 CMOS 带 TTL表四 接口电路测量参数CMOS TTL CMOS TTLCMOS 带 1个 TTL VO(V) VO(V)CMOS 带 4 个TTL VO(V) VO(V)VIL 0V 5
7、.070 0.018 VIL 0V 5.075 0.013VIH 5V 0.014 4.851 VIH 5V 0.120 3.428分析：由表知，CMOS 带 1 个或者是 4 个 TTL 均满足接口条件，但因实验时用的 TTL 不是 74LS 系列，所以在测量结果上可能有误差。5. 观测 TTL 带 CMOS在用 TTL(74LS00)带 CMOS 门电路（CD4011 ）时，通过观察 A,B,D 点的波形都无法得到结果。分析：由表知，TTL(74LS00)带 CMOS 时即表中黄色底纹部分，所以在测量时无法观察到正确波形。改进：实验要求利用三极管设计并使输出波形与 A 反相。而在实验中我们
8、采用了在 B,C 间与 CMOS 电压源间接一上拉电阻，选择 1K ，输入信号 A（方波、f=10KHZ）电路如图所示：测得 A,B,D 点的波形分别为：A: B:D:要使用三极管使 A,D 反相，电路图如上图所示，可根据已知条件求出 Rb 和 Rc 合适的阻值。6. 若要使 D 与 A 同相，最简电路设计。要使 A,D 同相，接一上拉电阻是最简单的设计。电路如图所示实验测得 R=158五、数据分析1.CMOS 参数EvoH=(5.070-5.000)/5.000 =0.014*100%=1.4%EvoL=(0.007-0.000)/0=0*100%=0%2.电压传输特性EvoH=(5.020
9、-5)/5=0.004*100%=0.4%EvoL=(0.0625-0.0000)/0 =0%EVT=(2.502-2.5)/2.5=0.0008*100%=0.08%说明：虽然 VOL 的理论值大约为 0，但是通过测量及误差公式计算发现并不能这样计算，所以 VOL 的误差并不是 0%。六、实验总结1. 掌握 CMOS 门电路参数的测试方法，在 CMOS 的管脚要区别与 TTL.。管脚 7 和 14 还是分别接地和高电平，注意的是 CMOS 管脚不可以悬空。2.本实验最重要的还是在做 TTL 带 CMOS 或者 CMOS 带 TTL时，需考虑的接口条件。以及在带不动情况下应采取怎样的措施。除了本实验介绍的方法外，在理论课当中也要介绍其他方法
